DE10234985A1

DE10234985A1 - Cryogenic cooling system has thermo-siphon pipe system containing a relatively large quantity of coolant facilitating operation below the coolant triple point temperature

Info

Publication number: DE10234985A1
Application number: DE2002134985
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Frank; Peter van Dr. Haßelt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Die Kryovorrichtung enthält ein geschlossenes Leitungssystem (2) zur thermischen Ankopplung einer Kälteeinheit (4) an ein zu kühlendes Objekt (5). In dem Leitungssystem (2) zirkuliert ein Kältemittel (K) gemäß einem Thermosyphon-Effekt. Das Leitungsmittel (2) soll mit einer großen Füllmenge an Kältemittel (K) gefüllt sein, so dass ein Betrieb auch unterhalb der Tripelpunkttemperatur (T¶tri¶) des Kältemittels ermöglicht wird.The cryogenic device contains a closed line system (2) for the thermal coupling of a refrigeration unit (4) to an object (5) to be cooled. A refrigerant (K) circulates in the line system (2) according to a thermosiphon effect. The conduit (2) should be filled with a large amount of refrigerant (K), so that operation below the triple point temperature (T¶tri¶) of the refrigerant is possible.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kryovorrichtung mit einer Kälteeinheit und mit Mitteln zu einer thermischen Ankopplung eines zu kühlenden Objektes an die Kälteeinheit, wobei die thermischen Ankopplunqsmittel als ein geschlossenes Leitungssystem für ein darin gemäß einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel mit vorbestimmter Tripelpunktstemperatur ausgebildet sind und wenigstens einen Kondensorraum, der in einem Kondensationsbereich in Wärmeaustauschverbindung mit der Kälteeinheit steht, sowie wenigstens einem Verdampferraum, der in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlobjekt steht, umfassen. Eine Kryovorrichtung mit einer solchen Thermosyphon-Kühlung ist beispielsweise in der DE 41 08 981 C2 offenbart.The invention relates to a cryogenic device with a refrigeration unit and with means for thermally coupling an object to be cooled to the refrigeration unit, the thermal coupling means being designed as a closed conduit system for a refrigerant with a predetermined triple point temperature circulating therein according to a thermosiphon effect, and at least a condenser chamber, which is in a condensation area in heat exchange connection with the refrigeration unit, and at least one evaporator chamber, which is in heat exchange connection with the cooling object. A cryogenic device with such a thermosiphon cooling is, for example, in FIG DE 41 08 981 C2 disclosed.

Bei den bekannten Kühlverfahren unter Ausnutzung des sogenannten Thermosyphon-Effektes befindet sich ein bestimmtes Kältemittel in einem druckdicht abgeschlossenen Leitungssystem einer Kryovorrichtung. Dabei wird flüssiges Kältemittel im Bereich eines zu kühlenden Objektes wie z.B. einer supraleitenden Magnet- oder Rotorwicklung, die eine Verlustwärmequelle darstellt, unter Aufnahme der Verlustwärme zumindest teilweise verdampft. Der Kältemitteldampf steigt dann über wenigstens eine Rohrleitung zu einem auf geodätisch höherem Niveau liegenden Kondensor auf, dessen Kondensorraum in wärmeleitender Verbindung mit einer Kälteeinheit wie z.B. dem Kaltkopf eines Kryokühlers steht. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Sie werden insbesondere zur Kühlung von Einrichtungen der Supraleitungstechnik eingesetzt (vgl. z.B. auch „Proc. 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 16]", Kitakyushu, JP, 20.–24.05.1996, Verlag El-sevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129). Bei dem bekannten Kühlverfahren (RE) kondensiert dann in dem gekühlten Be reich des Kondensors (= Kondensationsbereich) der Kältemitteldampf unter Abgabe der Verlustwärme an die Kälteeinheit, und das verflüssigte Kältemittel wird über eine Rohrleitung wieder dem Verdampferbereich des Kühlobjektes zugeführt. Dieser Umlauf des Kältemittels wird allein durch die Verlustwärme und den Dichteunterschied von Dampf und Flüssigkeit in Gang gesetzt und gehalten (Schwerkraft- oder Thermosyphon-Prinzip) und ist daher eine einfache, zuverlässige Methode zu einer Wärmeabfuhr, die ohne störanfällige bewegliche Teile wie Pumpen oder Verdichter auskommt. Bei diesem Verfahren stellt sich unabhängig von der Verlustleistung der Verlustwärmequelle eine nahezu konstante Temperatur ein, nämlich die Siedetemperatur des Kältemittels unter dem sich einstellenden Betriebsdruck. Als Kältemittel werden vielfach halogenierte Kohlenwasserstoffe verwendet (vgl. EP 0 231 456 A1 ).In the known cooling processes using the so-called thermosiphon effect, a certain refrigerant is located in a pressure-tightly closed line system of a cryogenic device. Liquid refrigerant is at least partially evaporated in the area of an object to be cooled, such as a superconducting magnet or rotor winding, which is a source of heat loss, absorbing the heat loss. The refrigerant vapor then rises via at least one pipeline to a condenser located at a geodetically higher level, the condenser chamber of which is in a heat-conducting connection with a cooling unit such as the cold head of a cryocooler. Such cryocoolers are in particular of the Gifford-McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers. They are used in particular for cooling facilities in superconductivity technology (cf. for example also “Proc. 16 ^th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 16]", Kitakyushu, JP, May 20-24, 1996, publisher El-sevier Science , 1997, pages 1109 to 1129) In the known cooling process (RE), the refrigerant vapor then condenses in the cooled area of the condenser (= condensation area), giving off the heat loss to the refrigeration unit, and the liquefied refrigerant is returned to the evaporator area via a pipeline This circulation of the refrigerant is set in motion and held solely by the heat loss and the difference in density of vapor and liquid (gravity or thermosiphon principle) and is therefore a simple, reliable method of heat dissipation that does not involve moving parts that are susceptible to faults such as pumps or compressors, which means that the heat loss is independent of the power loss e an almost constant temperature, namely the boiling point of the refrigerant under the operating pressure. Halogenated hydrocarbons are often used as refrigerants (cf. EP 0 231 456 A1 ).

Üblicherweise kann bei einer solchen Kryovorrichtung ein Thermosypon-Effekt nur in einem Temperaturbereich zwischen der Tripelpunktstemperatur und der kritischen Temperatur (bzw. der Siedetemperatur bei Fülldruck) des Kältemittels aufrechterhalten werden. Deshalb muss bei der Thermosyphon-Kühlung von auf eine kryogene Temperatur zu kühlenden Kühlobjekten bei variabler Wärmelast sichergestellt werden, dass die Temperatur des Kondensors im Kondensationsbereich nicht unterhalb die Tripelpunktstemperatur fällt, um ein vollständiges Ausfrieren des als Arbeitsgas dienenden Kältemittels und eine damit verbundene thermische Abkopplung des zu kühlenden Objektes zu vermeiden.Usually can with such a cryogenic device only a thermosypon effect in a temperature range between the triple point temperature and the critical temperature (or the boiling temperature at filling pressure) of the refrigerant be maintained. That is why thermosiphon cooling must switch from cryogenic to Temperature to be cooled cool objects with variable heat load ensure that the temperature of the condenser is in the condensation range does not drop below the triple point temperature to freeze completely of the refrigerant serving as the working gas and an associated thermal decoupling of the to be cooled To avoid object.

Üblicherweise wird für den Fall, dass die Kälteeinheit eine Basistemperatur unterhalb des Tripelpunktes eines Arbeitsgases aufweist, mit einer am Kondensor des Thermosyphon-Leitungssystems angebrachten Heizung in Verbindung mit einem Regelkreis eine Abkühlung des Arbeitsgases auf Temperaturen unterhalb des Tripelpunktes verhindert (vgl. z.B. Beitrag von W.Nick et al. bei „European Conference of Applied Superconductivity" (EUCAS 2001), Kopenhagen (DK), 26. – 30.8.2001).Usually is for the case that the refrigeration unit a base temperature below the triple point of a working gas has, with a on the condenser of the thermosiphon line system attached heating in connection with a control loop a cooling of the Working gas prevented at temperatures below the triple point (see e.g. contribution by W.Nick et al. at "European Conference of Applied Superconductivity "(EUCAS 2001), Copenhagen (DK), August 26-30, 2001).

Damit kann sichergestellt werden, dass das Arbeitsgas auch im Fall geringer anfallender Wärmelast nicht in fester Form vorliegen kann und die Zirkulation in dem Leitungssystem auf Grund des Thermosyphon-Effektes unter allen Wechseln der Wärmelast aufrecht erhalten wird. Der entsprechende Heizungsaufwand ist jedoch verhältnismäßig hoch.This can ensure that the working gas even in the case of low heat loads cannot be in solid form and the circulation in the pipe system due to the thermosiphon effect under all changes of the heat load upright is obtained. The corresponding heating effort is relatively high.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Kryovorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass auf verhältnismäßig einfache Weise ein stationärer Betrieb unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes auch bei Temperaturen eines Kondensors im Kondensationsbereich ermöglicht wird, die um mindestens einige K unterhalb der Tripelpunktstemperatur des verwendeten Kältemittels liegen.Object of the present invention it is therefore the cryogenic device with the features mentioned at the beginning to be designed in such a way that stationary operation is relatively simple using a thermosiphon effect even at temperatures of one Condenser in the condensation area is made possible by at least a few K below the triple point temperature of the refrigerant used lie.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll mittels der Kälteeinheit der Kondensationsbereich auf eine Temperatur unterhalb der Tripelpunktstemperatur zu kühlen sein und soll das Volumen des Leitungssystems mit einer solchen Menge des Kältemittels gefüllt wird, dass bei dieser Temperatur (unterhalb der Tripelpunktstemperatur) zumindest die die Kälteleistung übertragenden Flächen des Kondensationsbereichs im Kondensorraum wenigstens teilweise mit ausgefrorenem Kältemittel bedeckt sind und in dem verbliebenen Volumen des Leitungssystems die Zirkulation des Kältemittels nach dem Thermosyphon-Effekt aufrecht erhalten ist.This object is achieved with the measures specified in claim 1 solved. Accordingly should by means of the refrigeration unit the condensation range to a temperature below the triple point temperature to cool and should be the volume of the piping system with such Amount of refrigerant filled will that at this temperature (below the triple point temperature) at least those that transmit the cooling capacity surfaces of the condensation area in the condenser space at least partially with frozen refrigerant are covered and in the remaining volume of the pipe system the circulation of the refrigerant after the thermosiphon effect is maintained.

Gemäß der Erfindung wird also das angegebene technische Problem auf einfache Weise durch Befüllung des Thermosyphon-Leitungssystems mit einer deutlich größeren Gasmenge als üblich gelöst. Wenn nämlich die in dem Leitungssystem enthaltene Gasmenge größer ist, als es zu einer zumindest teilweisen Füllung des Kondensationsbereiches mit ausgefrorenem Gas erforderlich ist, kann der Thermosyphon seine Funktion als Wärmeübertrager auch trotz einer erheblich unter dem Tripelpunkt liegenden Kondensortemperatur aufrecht erhalten. Es wurde erkannt, dass sich hierbei in dem Bereich unterhalb eines zugefrorenen Teils oder des komplett zugefrorenen Kondensorraums ein entsprechender Temperaturgradient ausbildet. Für kryogene Kühlobjekte, für die die Kryovorrichtung bevorzugt vorzusehen ist, ergibt sich je nach Wärmeleitfähigkeit des für den Bau des Thermosyphon-Leitungssystems verwendeten Rohrmaterials und der zu übertragenden Wärmeleistung für eine Ausbildung des erforderlichen Temperaturgradienten eine Strecke in der Größenordnung von nur wenigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern. In der Praxis bedeutet dies, dass sich knapp unterhalb des üblicherweise aus gut wärmeleitendem Material wie z.B. Kupfer angefertigten Kondensors ein Bereich ausbildet, in dem die gasförmige Phase des Kältemittels an der dort vorliegenden festen Phase kondensiert wird und dann als flüssige Phase in den geodätisch tiefer liegenden Bereich des Thermosyphon-Leitungssystems fließt. Durch die Verdampfung des Kältemittels am unteren Ende des Leitungssystems und anschließende Rückströmung in Richtung des Kondensorraums bildet sich so ein stabiler, geschlossener Kreislauf aus. Dabei liegt die Temperatur des umlaufenden Kältemittels dann nahe bei der Tripelpunktstemperatur. Mit der erfindungsgemäß hinreichenden Befüllung des Thermosyphon-Leitungssystems kann somit vorteilhaft auf eine Gegenheizung zur Vermeidung eines Zusammenbrechens des Thermosyphon-Kreislaufes verzichtet werden, indem nunmehr ein teilweises Ausfrieren des Kältemittels zugelassen ist.According to the invention, the specified technical problem is solved in a simple manner by filling the thermosiphon line system a significantly larger amount of gas than usual. If the amount of gas contained in the line system is larger than is necessary to at least partially fill the condensation area with frozen gas, the thermosiphon can maintain its function as a heat exchanger even in spite of a condenser temperature that is considerably below the triple point. It was recognized that a corresponding temperature gradient is formed in the area below a frozen part or the completely frozen condenser chamber. For cryogenic cooling objects, for which the cryogenic device is preferably to be provided, depending on the thermal conductivity of the pipe material used for the construction of the thermosiphon line system and the heat output to be transmitted, a distance in the order of magnitude of only a few millimeters to a few is required to develop the required temperature gradient centimeters. In practice, this means that just below the condenser, which is usually made of a good heat-conducting material such as copper, an area is formed in which the gaseous phase of the refrigerant is condensed on the solid phase present there and then as the liquid phase in the geodetically lower ones Area of the thermosiphon piping system flows. As a result of the evaporation of the refrigerant at the lower end of the line system and subsequent backflow in the direction of the condenser chamber, a stable, closed circuit is formed. The temperature of the circulating refrigerant is then close to the triple point temperature. With the filling of the thermosiphon line system sufficient according to the invention, counter heating to avoid collapse of the thermosiphon circuit can thus advantageously be dispensed with, in that partial freezing out of the refrigerant is now permitted.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kryovorrichtung nach der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous embodiments of the Cryogenic devices according to the invention emerge from the dependent claims.

So kann vorteilhaft als Kältemittel ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen sein. Dann kann folglich bei einer allmählichen Abkühlung zunächst das Gas mit der höchsten Kondensationstemperatur kondensieren und einen geschlossenen Kreislauf zur Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Objekt an die Kälteeinheit ausbilden. Nach einer Vorkühlung des Kühlobjektes bis zur Tripelpunktstemperatur dieser ersten Gaskomponente wird dieses dann im Bereich des Kondensorraums ausfrieren, worauf die andere Gasgemischkomponente mit der niedrigeren Kondensationstemperatur die weitere Abkühlung auf die angestrebte Betriebstemperatur gewährleistet.So can be beneficial as a refrigerant a mixture of several refrigerant components be provided with different condensation temperatures. Then, with a gradual cooling, the gas with the highest condensation temperature can initially condense and a closed circuit for heat transfer of the one to be cooled Object to the refrigeration unit form. After pre-cooling of the cooling object up to the triple point temperature of this first gas component then freeze this in the area of the condenser chamber, whereupon the other gas mixture component with the lower condensation temperature further cooling guaranteed to the desired operating temperature.

Wegen der vergleichsweise großen Kältemittelmenge kann vorteilhaft der Kondensationsbereich auf einer Temperatur gehalten werden, die niedriger als die Tripelpunktstemperatur des Kältemittels liegt.Because of the comparatively large amount of refrigerant can advantageously keep the condensation area at a temperature that are lower than the triple point temperature of the refrigerant lies.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch im Schnitt derenThe invention will follow Hand of the drawing explained further. Show each schematically in average

1 den prinzipiellen Aufbau eines Thermosyphon-Leitungssystems mit einer bekannten Füllmenge eines Kältemittels sowie deren 1 the basic structure of a thermosiphon line system with a known filling quantity of a refrigerant and their

2 und 3 dieses Thermosyphon-Leitungssystem nach 1, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Befüllung in zwei verschiedenen Betriebszuständen. 2 and 3 this thermosiphon line system 1 , but with a filling according to the invention in two different operating states.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding figures are in the figures Parts have the same reference numerals.

Der Aufbau einer Kryovorrichtung mit Thermosyphon-Leitungssystem ist prinzipiell bekannt (vgl. die eingangs genannte DE 41 08 981 C2 oder die DE 100 18 169 A1 ). Von dieser Kryovorrichtung ist in den 1 bis 3 jeweils nur ihr Thermosyphon-Leitungssystem angedeutet. Mit der Vorrichtung ist ein zu kühlendes Objekt wie z.B. eine supraleitende Magnetwicklung eines MRI-Magneten oder eine supraleitende Rotorwicklung einer elektrischen Maschine (vgl. WO 00/13296) auf einer geforderten Betriebstemperatur zu halten. Die Kälteleistung zur Kühlung des Kühlobjektes wird von mindestens einer Kälteeinheit erbracht, die an ihrem kalten Ende, z.B. an einem sogenannten Kaltkopf eines Kryokühlers, eine Kalt fläche aufweist. Diese auf einem vorbestimmten Temperaturniveau zu haltende Kaltfläche ist thermisch mit einem Kondensor verbunden, der in 1 mit 3 bezeichnet ist und als Teil eines Thermosyphon-Leitungssystems 2 auf dessen geodätisch höchstem Niveau liegt. Beispielsweise bildet die Kaltfläche der Kälteeinheit Teile der Wände des Kondensors 3. Die entsprechenden Wandteile sind in der Figur durch verstärkte Linien angedeutet und legen einen Kondensationsbereich 3a des Kondensors fest. In diesem Bereich wird die Kälteleistung der in der Figur nicht näher ausgeführten Kälteeinheit 4 an ein in dem Innenraum 3b des Kondensors 3 befindliches Kältemittel K abgegeben bzw. von diesem eine entsprechende (Verlust-)Wärme Q abgeführt, wobei das Kältemittel dort (re)kondensieren kann. Diese Wärme Q wird von dem nicht näher ausgeführten Kühlobjekt 5 erzeugt, das an einem geodätisch tiefer liegenden Ende des Leitungssystems 2 in Wärmeaustauschverbindung mit wenigstens einem Verdampferraum 6b des Leitungssystems steht. Dabei kann auch das Verbindungsrohr 7 selbst als Verdampfungsbereich vorgesehen werden, ohne dass ein spezieller Verdampfer 6 erforderlich ist. In diesem Raum wird in einem Verdampfungsbereich 6a das Kältemittel unter Aufnahme der Wärme Q verdampft. Der Verdampferraum 6b ist mit dem Kondensorraum 3b über wenigstens ein Verbindungsrohr 7 druckdicht verbunden.The structure of a cryogenic device with a thermosiphon line system is known in principle (cf. the one mentioned at the beginning DE 41 08 981 C2 or the DE 100 18 169 A1 ). Of this cryogenic device is in the 1 to 3 only indicated their thermosiphon line system. The device is used to keep an object to be cooled, such as a superconducting magnetic winding of an MRI magnet or a superconducting rotor winding of an electrical machine (cf. WO 00/13296), at a required operating temperature. The cooling capacity for cooling the cooling object is provided by at least one cooling unit which has a cold surface at its cold end, for example on a so-called cold head of a cryocooler. This cold surface to be kept at a predetermined temperature level is thermally connected to a condenser which is in 1 With 3 is referred to and as part of a thermosiphon line system 2 at its geodetically highest level. For example, the cold surface of the refrigeration unit forms parts of the walls of the condenser 3 , The corresponding wall parts are indicated in the figure by reinforced lines and define a condensation area 3a of the condenser. In this area, the cooling capacity of the cooling unit, which is not shown in detail in the figure 4 to one in the interior 3b of the condenser 3 located refrigerant K or a corresponding (loss) heat Q discharged from it, the refrigerant being able to (re) condense there. This heat Q is generated by the cooling object, which is not detailed 5 generated that at a geodetically lower end of the pipe system 2 in heat exchange connection with at least one evaporator space 6b of the piping system. The connecting pipe can also be used 7 itself can be provided as an evaporation area without using a special evaporator 6 is required. In this room there is an evaporation area 6a the refrigerant evaporates, absorbing the heat Q. The evaporator room 6b is with the condenser room 3b via at least one connecting pipe 7 connected pressure-tight.

In 1 sind ferner die sich auf Grund des Thermosyphon-Effektes ergebenden Kältemittelströme veranschaulicht. Bei der gemäß dem Stand der Technik üblichen geringen Füllmenge an Kältemittel K in dem Thermosyphon-Leitungssystem 2 fließt kondensiertes Kältemittel K_fl (in der Figur mit kurzen, durchgezogenen Pfeilen veranschaulicht) aus dem Kondensationsbereich 3a an den Wänden nach unten in den Verdampferraum 6b. Das dort verdampfte, gasförmige Kältemittel K_gf (in der Figur mit längeren, unterbrochenen Pfeilen veranschaulicht) steigt dann in dem Leitungssystem wieder auf bis in den Bereich des Kondensorraums 3b, wo es an dessen Wänden rekondensiert wird.In 1 are also the resulting refrigerant flows due to the thermosiphon effect me illustrated. With the small amount of refrigerant K customary in the prior art in the thermosiphon line system 2 condensed refrigerant K _fl (illustrated in the figure with short, solid arrows) flows out of the condensation area 3a on the walls down into the evaporator room 6b , The gaseous refrigerant K _gf evaporated there (illustrated in the figure with longer, interrupted arrows) then rises again in the line system up to the area of the condenser chamber 3b where it is recondensed on its walls.

Ein derartiger, an Hand von 1 erläuterter Kältemittelkreislauf mit gemäß dem Stand der Technik verhältnismäßig geringer Füllmenge an Kältemittel in dem Thermosyphon-Leitungssystem 2 führt jedoch bei einer Abkühlung des Kondensationsbereiches 3a unterhalb der Tripelpunktstemperatur des verwendeten Kältemittels dazu, dass dieses an den Wänden des Kondensors ausfrieren kann und somit nicht mehr zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlobjekt 5 und der Kälteeinheit 4 zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß wird deshalb das Leitungssystem 2 mit einer derartigen Menge an Kältemittel K befällt, dass die in dem Leitungssystem vorhandene Gasmenge größer ist als zu einer teilweisen oder kompletten Füllung des Kondensorbereichs 3a mit ausgefrorenem Gas bei einer Abkühlung unter die Tripelpunktstemperatur erforderlich wäre. Eine entsprechende Befüllung des Thermosyphon-Leitungssystems mit einem Kältemittel K ist in den 2 und 3 in 1 entsprechender Darstellung veranschaulicht, wobei gemäß 2 eine Kühlung des Kondensorbereichs 3a auf eine Temperatur T1 oberhalb der Tripelpunktstemperatur T_tri (T1 > T_tri) und gemäß 3 eine Kühlung auf eine Temperatur T2 unterhalb der Tripelpunktstemperatur T_ri (T2 < T_tri) angenommen ist.Such, on the basis of 1 explained refrigerant circuit with a relatively small amount of refrigerant in the thermosiphon line system according to the prior art 2 however leads to a cooling of the condensation area 3a below the triple point temperature of the refrigerant used so that it can freeze on the walls of the condenser and therefore no longer for heat transfer between the cooling object 5 and the refrigeration unit 4 is available. The line system is therefore according to the invention 2 with such an amount of refrigerant K that the amount of gas present in the line system is greater than for a partial or complete filling of the condenser area 3a with frozen gas would be required for cooling below the triple point temperature. A corresponding filling of the thermosiphon line system with a refrigerant K is in the 2 and 3 in 1 corresponding representation illustrates, according to 2 cooling of the condenser area 3a to a temperature T1 above the triple point temperature T _tri (T1> T _tri ) and according to 3 cooling to a temperature T2 below the triple point temperature T _ri (T2 <T _tri ) is assumed.

Wie aus 2 hervorgeht, sind bei einer erfindungsgemäßen Befüllung des Leitungssystems 2 der gesamte Verdampferraum 6b sowie der untere Teil des Verbindungsrohres 7 zunächst mit flüssigem Kältemittel K_fl ausgefüllt, wobei in der Flüssigkeit Blasen an verdampftem Kältemittel aufsteigen. Die Grenzfläche zwischen dem flüssigen Kältemittel K_fl und dem darüber befindlichen gasförmigen Kältemittel K_gf liegt beispielsweise in einem mittleren Bereich des Verbindungsrohres 7.How out 2 emerges are when filling the line system according to the invention 2 the entire evaporator compartment 6b as well as the lower part of the connecting pipe 7 first filled with liquid refrigerant K _fl , bubbles of evaporated refrigerant rising in the liquid. The interface between the liquid refrigerant K _fl and the gaseous refrigerant K _gf above it lies, for example, in a central region of the connecting pipe 7 ,

Wird nun gemäß 3 eine Abkühlung auf eine Temperatur T2 < T_tri vorgenommen, dann ist zumindest der größte Teil des Kondensorraums 3b mit ausgefrorenem Kältemittel K_eis ausgefüllt. Dennoch ist genügend Kältemittel für eine Zirkulation gemäß einem Thermosyphon-Effekt vorhanden. An der unteren Grenzfläche des ausgefrorenen Kältemittels, beispielsweise innerhalb des Verbindungsrohres 7, findet dann der Wärmeaustausch zwischen dem wärmeren gasförmigen Kältemittel K_gf und die damit verbundene Kondensation zu dem flüssigen Kältemittel K_fl statt.Now according to 3 cooling to a temperature T2 <T _tri , then at least the largest part of the condenser space 3b filled with frozen refrigerant K _ice . However, there is sufficient refrigerant for circulation according to a thermosiphon effect. At the lower interface of the frozen refrigerant, for example within the connecting pipe 7 , then the heat exchange takes place between the warmer gaseous refrigerant K _gf and the condensation associated therewith to the liquid refrigerant K _fl .

Bei dem an Hand der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass bei der Temperatur T2 der gesamte Bereich des Kondensorraums 3b ausfriert. Dabei muss gewährleistet bleiben, dass zumindest weitgehend über das ausgefrorene Kältemittel K_ei _s genügend Kälteleistung an das in dem Restvolumen des Leitungssystems 2 noch hinreichend vorhandene Kältemittel abgegeben wird, so dass in diesem Restvolumen eine Zirkulation nach einem Thermosyphon-Effekt aufrecht zu erhalten ist. Selbstverständlich kann bei einer erfindungsgemäßen Befüllung der Kryovorrichtung auch ein Betriebszustand auftreten, bei dem die die Kälteleistung abgebende Flächen des Kondensationsbereichs 3a, die in 2 durch verstärkte Linien angedeutet sind, mit einem Eispanzer von beispielsweise mindestens 1 mm Dicke überzogen sind, wobei dann ein Teil des Kondensorraums 3b nicht von dem Eispanzer ausgefüllt ist. Denn wesentlich für die erfindungsgemäße Befüllung ist nur, dass trotz eines zugelassenen Ausfrierens des Kältemittels immer noch hinreichend Kältemittel vorhanden ist, ohne dass die gewünschte Zirkulation nach dem Thermosyphon-Effekt wegen Kältemittelmangels zusammenbricht. Die hierzu konkret zu wählenden Kältemittelmengen lassen sich auf einfache Weise experimentell einstellen.In the case of the 3 The exemplary embodiment shown was assumed that the entire area of the condenser chamber at temperature T2 3b freezes. It must be ensured that at least largely enough refrigeration capacity via the frozen refrigerant K _ei _s to that in the residual volume of the line system 2 sufficient refrigerant is still dispensed, so that a circulation after a thermosiphon effect can be maintained in this remaining volume. Of course, when the cryogenic device is filled according to the invention, an operating state can also occur in which the areas of the condensation area that emit the cooling capacity 3a , in the 2 are indicated by reinforced lines, are covered with an ice sheet of, for example, at least 1 mm thick, in which case part of the condenser space 3b is not filled by the ice sheet. It is only essential for the filling according to the invention that, despite an approved freezing out of the refrigerant, there is still sufficient refrigerant without the desired circulation breaking down due to the lack of refrigerant according to the thermosiphon effect. The specific amounts of refrigerant to be selected for this can be set experimentally in a simple manner.

In der Praxis kommen als Kältemittel je nach gewünschter Arbeitstemperatur die Gase H₂, Ne, N₂, Ar sowie verschiedene Kohlenwasserstoffe in Frage. Die Auswahl des jeweiligen Arbeitsmediums erfolgt so, dass bei der vorgesehenen Betriebstemperatur das Kältemittel gleichzeitig gasförmig und flüssig vorliegen kann. Auf diese Weise ist eine Zirkulation unter Ausnützung des Thermosyphon-Effektes zu gewährleisten. Zu einer gezielten Einstellung der Füllmenge bei gleichzeitiger Begrenzung des Systemdrucks können ferner warme und/oder kalte Ausgleichsbehälter an dem Leitungssystem vorgesehen werden.In practice, depending on the desired working temperature, the gases H ₂ , Ne, N ₂ , Ar and various hydrocarbons are suitable as refrigerants. The respective working medium is selected so that the refrigerant can be both gaseous and liquid at the intended operating temperature. In this way, circulation is to be ensured using the thermosiphon effect. Warm and / or cold expansion tanks can also be provided on the line system for targeted adjustment of the filling quantity while simultaneously limiting the system pressure.

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine erfindungsgemäße Kryovorrichtung auch ein Leitungssystem aufweisen, in dem ein Gemisch aus zwei Kältemitteln mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorhanden ist.Deviating from the shown embodiment can a cryogenic device according to the invention also have a pipe system in which a mixture of two refrigerants with different condensation temperatures.

Selbstverständlich kann eine erfindungsgemäße Kryovorrichtung ein Thermosyphon-Leitungssystem mit mehreren Kondensatoren 3 und/oder mehreren Verdampfungsbereichen 6a aufweisen, die auch über mehrere Verbindungsrohre 7 ein geschlossenes System bilden.Of course, a cryogenic device according to the invention can be a thermosiphon line system with several capacitors 3 and / or several evaporation areas 6a have, which also over several connecting pipes 7 form a closed system.

Claims

Cryogenic device with a refrigeration unit and with means for thermally coupling an object to be cooled to the refrigeration unit, the thermal coupling means being designed as a closed conduit system for a refrigerant with a predetermined triple point temperature circulating therein according to a thermosiphon effect and at least one condenser which is in a condensation area in heat exchange relationship with the refrigeration unit, and at least one evaporation chamber which is in heat exchange communication with the cooling object, include, characterized in that by means of the refrigeration unit ( 4 ) the condensation range ( 3a ) to a temperature (T2) below the triple point temperature (T _tri ) and that the volume of the pipe system ( 2 ) is filled with such an amount of refrigerant (K) that at this temperature (T2) at least the areas of the condensation area that transmit the cooling capacity ( 3a ) in the condenser room ( 3b ) are at least partially covered with frozen refrigerant ( _ice ) and in the remaining volume of the pipe system ( 2 ) the circulation of the refrigerant (K) is maintained after the thermosiphon effect.

Device according to claim 1, characterized in that the at least one condenser space ( 3b ) and the at least one evaporator room ( 6b ) of the pipe system ( 2 ) via at least one connecting pipe ( 7 ) are connected.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the condensation area ( 3a ) is to be kept at a temperature (T2) which is lower than the triple point temperature (T _tri ) of the refrigerant (K).

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that as a refrigerant (K) a mixture of several refrigerant components is provided with different condensation temperatures.